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冰冲击力学行为的实验研究与数值计算

鞠殿伟  
【摘要】:作为水的固态存在形式,冰给航空、船舶、桥梁等相关工程领域带来了技术挑战,其中飞行器的对冰雹冲击防护以及破冰船的冲撞破冰等技术领域均需要考虑冰的动静态力学性能。目前对冰的研究,多数集中在冰的压缩性能方面,而对冰拉伸强度的研究较为缺乏。基于此背景,本文在研究人造淡水冰的动、静态压缩性能外,还进行了冰的动、静态劈拉实验,研究了冰在不同温度及其不同应变率下的动、静态劈拉强度;同时针对冰雹灾害的问题,对冰球冲击复合材料层合板进行了实验及其数值模拟,研究冰雹高速冲击载荷作用下,层合板的力学响应情况,其主要内容和结论如下:(1)研究了冰试样的制备工艺,制备出无气泡冰试样,并利用万能试验机对淡水人造冰试样在-5~-55℃温度区间内进行了准静态压缩、巴西圆盘以及冰球劈拉实验,结果表明其压缩强度和劈拉强度随温度变化趋势明显,在-5~-35℃之间强度随温度的降低而增大,在-35℃时,压缩强度和劈拉强度均出现最大值,当温度低于-35℃时,强度随温度降低而呈现降低的趋势;(2)利用分离式霍普金森压杆对相同尺寸的冰试样进行了-15℃、-35℃和-55℃的动态压缩、巴西圆盘以及冰球的冲击劈拉实验,得出冰的动态压缩和劈拉强度都大于准静态加载状态下的压缩和劈拉强度,表现出很明显的率相关性,并且发现高应变率下压缩强度及其劈拉强度随温度的变化趋势与低应变率作用下展现的规律有所不同,高应变时无论压缩强度还是劈拉强度都随温度降低而升高,并没有在-35℃出现极大值。同时借助高速相机对试样的裂纹扩展进行了记录,验证了巴西圆盘和圆球劈拉实验试样中心开裂的破坏形式;(3)应用一级空气炮,分别使用50.8mm和25.4mm直径的冰球在多种速度下对玻纤层合板进行了冲击实验,得出了层合板支反力及其背板应变,发现支反力基本与冲击能量呈正比关系,同时用高速相机记录了两种冰球冲击靶板的过程,观察了冲击瞬间冰球的破坏与层合板的变形形式;(4)对不同冰球冲击能量(速度)、层合板不同铺层方式、冰球不同冲击角度及其相同冲击能量不同冰球尺寸等4个变量控制下的11种工况进行了数值模拟,分别得出各个工况下层合板的背板挠度、能量吸收率及其受冲击处等效应力,对产生不同力学响应的原因进行了总结和分析。


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